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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem Elektromotor und einem Getriebe, wobei eine Ausgangswelle des Elektromotors mit einer Eingangswelle des Getriebes über eine Verzahnung drehfest verbunden ist, sowie die Ausgangswelle über ein Festlager und ein Loslager in einem Gehäuse gelagert ist und die Eingangswelle im Bereich eines der Ausgangswelle abgewandten Endes in dem Gehäuse gelagert ist, sowie im Bereich des der Ausgangswelle zugewandten Endes in der Ausgangswelle gelagert ist.
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In der
US 6,952,061 B2 ist eine derartige Antriebsvorrichtung beschrieben. Bei dieser ist die Ausgangswelle, bei der es sich um eine Rotorwelle handelt, ausgehend von der Eingangswelle über einen Großteil ihrer Länge als Hohlwelle ausgebildet und es ist die Eingangswelle im Bereich dessen der Rotorwelle zugewandten Endes in die Rotorwelle eingesteckt und es sind über eine Steckverzahnung zwischen Eingangswelle und der Rotorwelle diese drehfest verbunden. Im Bereich der überlappenden Steckverbindung ist die Rotorwelle über ein Festlager, das als Wälzlager ausgeführt ist, im Gehäuse gelagert. Die Getriebeverzahnung der Eingangswelle befindet sich im Bereich des Lagers der Eingangswelle im Gehäuse. Das Gehäuse weist mehrere Gehäuseteile auf und es bedingen überdies die Ausbildung von Rotorwelle und Eingangswelle, dass die Antriebsvorrichtung relativ aufwendig baut. Abgesehen hiervon ist aufgrund der Lagerung der Rotorwelle im Bereich dessen der Eingangswelle zugewandten Endes im Gehäuse, der im Bereich dieser Lagerung vorhandenen Steckverbindung von Eingangswelle und Rotorwelle und überdies des relativ großen Abstands zwischen der Steckverbindung und der Getriebeverzahnung der Eingangswelle eine nicht optimale Abstützung der Verzahnungskräfte zu verzeichnen.
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Ähnliche Antriebsvorrichtungen sind in der
JP 2015/216819 A und
JP 2015/216820 beschrieben.
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Die
DE 26 16 310 A1 offenbart eine Antriebsvorrichtung mit einem Elektromotor und einem Getriebe. Hierbei ist eine Getriebeausgangswelle über ein Axiallager und ein Radiallager gelagert, wobei eine Rotorwelle des Elektromotors über einen Zapfen in der Getriebeausgangswelle gelagert ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass bei baulich besonders einfacher Lagerung von Ausgangswelle des Elektromotors und Eingangswelle des Getriebes eine günstige Abstützung der Verzahnungskräfte gewährleistet ist.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Antriebsvorrichtung, die gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.
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Bei dieser Antriebsvorrichtung ist vorgesehen, dass die Eingangswelle ausgangswellenseitig als Hohlwelle ausgebildet ist und in einem Wellenzapfen der Ausgangswelle gelagert ist.
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Da der Wellenzapfen der Lagerung der Eingangswelle dient und die Ausgangswelle zudem sowohl über das Festlager als auch über das Loslager im Gehäuse gelagert ist, befindet sich die Verzahnung, bezogen auf die axiale Erstreckung von Ausgangswelle bzw. Eingangswelle in einem axialen Abstand bezüglich der Lagerebene des Lagers der Ausgangswelle, das dem Getriebe zugewandt ist. Hierdurch ergibt sich eine günstige Abstützung der Verzahnungskräfte, auch weil die Verzahnung von Eingangswelle und Ausgangswelle dichter zur Getriebeverzahnung der Eingangswelle angeordnet ist bzw. werden kann.
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Diese grundsätzliche Ausbildung der Antriebsvorrichtung ermöglicht es, die Antriebsvorrichtung unter den unterschiedlichsten Aspekten zu optimieren, sei es unter dem Aspekt der optimierten Lagerung von Ausgangswelle und/oder Eingangswelle im Gehäuse, Lagerung von Ausgangswelle und Eingangswelle ineinander und/oder Montagereihenfolge der Antriebsvorrichtung und/oder optimierter Kühlung von Komponenten der Antriebsvorrichtung.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausgangswelle des Elektromotors eine Rotorwelle des Elektromotors ist.
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Vorzugsweise ist das Festlager der Ausgangswelle abgangsseitig der Ausgangswelle angeordnet. Das Festlager der Ausgangswelle befindet sich somit in demjenigen Bereich der Ausgangswelle, der der Eingangswelle des Getriebes zugeordnet ist. Demzufolge befindet sich das Loslager der Ausgangswelle in dem der Eingangswelle abgewandten Bereich. Von Vorteil ist es, wenn die Ausgangswelle axial vorgespannt ist, z.B. mittels eines als Wellenfeder ausgebildeten Spannelements, insbesondere am Lager der Ausgangswelle, das dem Getriebe abgewandt ist.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Ausgangswelle über deren Wellenzapfen im Gehäuse gelagert ist. Hierdurch ergibt sich eine günstige Lage der Krafteinleitung der Reaktionskräfte der Ausgangswelle in das Gehäuse und überdies die Möglichkeit einer besonders einfachen Positionierung bzw. Lagerung der Ausgangswelle aufgrund der durch den Wellenzapfen bedingten Durchmesseränderungen der Ausgangswelle.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Festlager als Wälzlager mit einem ausgangswellenseitigen Innenring, einem gehäuseseitigen Außenring und zwischen diesen angeordneten Wälzkörpern ausgebildet ist. Unter diesem Aspekt wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Innenring des Wälzlagers auf dessen der Eingangswelle abgewandten Seite an einem Wellenansatz der Ausgangswelle anliegt und dieser Innenring auf seiner dem Wellenansatz abgewandten Seite mittels eines Sicherungsrings, insbesondere Sprengrings axial festgelegt ist. Der Sicherungsring ist hierbei vorzugsweise in eine äußere Ringnut der Ausgangswelle eingesetzt. Baulich besonders einfach lässt sich somit das Festlager der Ausgangswelle axial bezüglich der Ausgangswelle festlegen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Eingangswelle den Sicherungsring in einem äußeren Bereich des Sicherungsrings radial umgreift. Hierdurch ist eine Fliehkraftsicherung des Sicherungsrings bzw. Sprengrings durch die Eingangswelle des Getriebes sichergestellt.
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Als bevorzugt wird es ferner angesehen, wenn die Eingangswelle eine axiale Anlagefläche aufweist, die am Innenring des Wälzlagers anliegt. Hierdurch ergibt sich auf baulich besonders einfache Art und Weise eine axiale Abstützung der Eingangswelle am Innenring des Wälzlagers.
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Eine baulich einfache Lagerung und Montage der Eingangswelle ergibt sich, wenn die Eingangswelle im Bereich deren der Ausgangswelle abgewandten Endes axial und radial im Gehäuse gelagert ist. Baulich ist diese Lagerung vorzugsweise derart ausgeführt, dass die Eingangswelle im Bereich deren der Ausgangswelle abgewandten Endes über mindestens ein Wälzlager im Gehäuse gelagert ist. Vorzugsweise finden zwei Wälzlager dort Verwendung. Insbesondere ist die Eingangswelle in diesem Bereich über ein Zylinderrollenlager radial und über ein Nadellager axial im Gehäuse gelagert. Die vorgeschlagene Lagerung mit Zylinderrollenlager und Nadellager ermöglicht eine unkomplizierte Einstellbarkeit der Eingangswelle des Getriebes in dessen Axialrichtung. So sind insbesondere zwischen dem Nadellager und dem Gehäuse der Antriebsvorrichtung axial wirkende Einstellscheiben angeordnet. Grundsätzlich sind jegliche Mittel zwischen dem Gehäuse und dem der Ausgangswelle abgewandten Enden der Eingangswelle zum Einstellen der axialen Vorspannung der Eingangswelle innerhalb der Antriebsvorrichtung geeignet.
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Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der Wellenzapfen im Bereich dessen ausgangswellenseitiger Lagerung eine zylindrische oder ballige Außengeometrie zur Zentrierung der Eingangswelle aufweist. Es wird ferner als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der Wellenzapfen ein Wellenbereich mit der als Steckverzahnung ausgebildeten Verzahnung aufweist, zur Wellenzentrierung der Eingangswelle unter Last. Insbesondere ist der Wellenzapfen mit zwei Funktionsbereichen versehen: Im Funktionsbereich des Zentrierzapfens mit zylindrischer oder balliger Außengeometrie zur Zentrierung der Eingangswelle, vorliegend im lastfreien Zustand bzw. bei geringen Lasten, ferner dem Wellenbereich mit Steckverzahnung, z.B. nach DIN 5480, flankenzentriert. Dies optimiert die Zentrierung unter Last, es erfolgt Drehmomentübertragung mittels Formschluss.
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Insbesondere weist die Eingangswelle in einem der Lagerung der Eingangswelle im Gehäuse benachbarten Bereich der Eingangswelle eine Getriebeverzahnung auf.
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Aufgrund der günstigen Abstände (Hebelverhältnisse) von Getriebeverzahnung/Laufverzahnung zur Wälzlagerung und Getriebeverzahnung/Laufverzahnung zur Welle/Welle-Lagerung wirkt sich das zusätzliche Radialspiel der Welle/Welle-Lagerung nur sehr gering auf die Position der Getriebeverzahnung/Laufverzahnung aus. Verzahnungskräfte werden teilweise über die Ausgangswellenlagerung der Elektromaschine abgestützt. Die Konsequenz ist Vermeidung undefinierter Lastzustände bzw. Unterschreitung der Lagermindestlasten der Ausgangswellenlagerung durch Beaufschlagung derselben mit Verzahnungskräften.
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Vorzugsweise weist die Antriebsvorrichtung benachbart der Verzahnung einen Lagerbereich zum Lagern der Eingangswelle auf dem Wellenzapfen auf. Die Verzahnung und der Lagerbereich sind insbesondere angrenzend angeordnet.
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Der Lagerbereich zum Lagern der Eingangswelle auf dem Wellenzapfen kann auf der der Lagerung der Eingangswelle im Gehäuse zugewandten oder abgewandten Seite der Verzahnung angeordnet sein. Der Vorteil der Anordnung des Lagerbereichs zum Lagern der Eingangswelle auf dem Wellenzapfen auf der der Lagerung der Eingangswelle im Gehäuse zugewandten Seite der Verzahnung besteht darin, dass eine Verzahnung mit größerem Durchmesser, somit höherer Drehmomentkapazität, bei gleicher Baulänge verwirklicht werden kann. Ferner ist unter Last eine Lastzentrierung der Verzahnung zu verzeichnen, mit Kraftabstützung (Abstützung radial) über die Verzahnung und Krafteinleitung in Lagernähe. Damit ergibt sich ein reduzierter Einfluss auf die Ausgangswelle.
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Vorzugsweise weist der Lagerbereich zum Lagern der Eingangswelle in dem Wellenzapfen ein Gleitlager auf, insbesondere eine Gleitlagerbuchse. Dieses Gleitlager ist optional zwischen der Ausgangswelle und der Eingangswelle zur Vermeidung von Passungsrost im Bereich des Wellenzapfens vorgesehen. Es werden somit Gleitbewegungen in Umgangsrichtung aufgrund eines Umschlagspiels in der Verzahnung und/oder Gleitbewegungen in Achsrichtung, z.B. aufgrund von Lagerspielen und Wechsellasten, thermischer Ausdehnung usw. möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Eingangswelle einen axialen Durchgang aufweist. Dieser erstreckt sich insbesondere über die gesamte Länge der Eingangswelle. Der Durchgang ermöglicht es, insbesondere Öl zwecks Schmierung und/oder Kühlung relevanter Bauteile der Antriebsvorrichtung zu- und/oder abzuleiten. Insbesondere ist vorgesehen, dass innerhalb des Durchgangs der Eingangswelle eine Öllanze angeordnet ist, mit Auslässen zum axialen und/oder radialen Zuführen von Öl zur Ausgangswelle und/oder zum Rotor und/oder zu Lagern und/oder zum Getriebe zwecks Schmierung und/oder Kühlung. Gemäß einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausgangswelle zumindest über eine axiale Teillänge einen Durchgang zum Zuführen von Öl mittels der Öllanze in diesen Durchgang zwecks Weiterförderung zum Schmieren und/oder Kühlen von Komponenten des Elektromotors, insbesondere zur Rotorkühlung aufweist.
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Vorzugsweise ist die Eingangswelle in einem anderen Gehäuseteil angeordnet als die Ausgangswelle. Durch diese Teilung des Gehäuses in mindestens zwei Gehäuseteile ist es möglich, eine vorteilhafte Montagereihenfolge der Antriebsvorrichtung zu bewerkstelligen. So ist vorgesehen, dass die Elektromaschine komplett montiert wird, womit eine Inbetriebnahme und Abnahme der Elektromaschine ohne Getriebe möglich ist. Anschließend erfolgt die Montage des Getriebes, somit der Zusammenbau von Getriebe und Elektromaschine.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung der in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiele.
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Es zeigt:
- 1 eine Antriebsvorrichtung gemäß aus der Praxis bekanntem Stand der Technik, veranschaulicht in einem Längsmittelschnitt für den Bereich des Elektromotors und den erfindungsrelevanten Bereich der Lagerung einer Eingangswelle des Getriebes in einer Ausgangswelle/Rotorwelle des Elektromotors sowie im Gehäuse,
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, veranschaulicht in einem Längsmittelschnitt für den Bereich der Anbindung der Eingangswelle des Getriebes an die Rotorwelle des Elektromotors sowie die Lagerung von Rotorwelle und Eingangswelle in diesem Bereich,
- 3 in einem Längsmittelschnitt eine gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 2 modifizierte Antriebsvorrichtung,
- 4 ein gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 2 modifizierte Antriebsvorrichtung mit zusätzlicher Ölführung für Rotorinnenkühlung, Lagerschmierung usw.
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Figurenbeschreibung
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Der Stand der Technik nach der 1 zeigt eine Antriebsvorrichtung 1 mit einem Elektromotor 2 und einem Getriebe 3. Eine Ausgangswelle 4 des Elektromotors 2, bei der es sich um eine Rotorwelle handelt, ist mit einer Eingangswelle 5 des Getriebes 3 über eine Verzahnung 6 drehfest verbunden.
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Mit der Bezugsziffer 7 ist ein Rotor des Elektromotors 2 bezeichnet, der im Betrieb des Elektromotors 2 entsprechend der Drehzahl der Rotorwelle 4 rotiert. Die Eingangswelle 5 des Getriebes 3 ist einstückig mit einem Ritzel 8 ausgebildet, das mit einem Getrieberad 9 kämmt. Die Rotationsachse von Rotorwelle 4 und Eingangswelle 5 ist mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Ein Gehäuse der Antriebsvorrichtung 1 ist mehrteilig ausgebildet und hierbei in Ebenen senkrecht zur Rotationsachse 10 unterteilt. Näher bezeichnet ist ein Gehäuseteil 11 des Elektromotors 2 und ein Gehäuseteil 12 des Getriebes 3. Im Gehäuseteil 11 ist ein Loslager 13 und ein Festlager 14 für die Rotorwelle 4 gelagert, wobei es sich bei diesen um Wälzlager handelt. Ferner ist im Gehäuseteil 11 ein Festlager 15 für die Eingangswelle 5 des Getriebes 3 und im Gehäuseteil 12 ein Loslager 16 für die Eingangswelle 5 gelagert. Drehmomentenschnittstelle zwischen der Rotorwelle 4 und der Eingangswelle 5 ist die als Steckverzahnung ausgebildete Verzahnung 6.
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Die Eingangswelle 5 ist rotorwellenseitig als Hohlwelle ausgebildet und es weist ein Wellenzapfen 17 der Rotorwelle 4 die Verzahnung 6 auf.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in der 2 dargestellt ist, erfolgt die Lagerung der Eingangswelle 5 des Getriebes 3 im Gehäuse ausschließlich im Bereich desjenigen Endes der Eingangswelle 5, das der Rotorwelle 4 abgewandt ist. Das der Rotorwelle 4 zugewandte Ende der Eingangswelle hingegen ist auf dem Wellenzapfen 17 der Rotorwelle 4 gelagert. Es ist der Wellenzapfen 17 in die zumindest im Bereich dieses Endes als Hohlwelle ausgestaltete Eingangswelle 5 eingesteckt. Das Festlager 14 der Rotorwelle 4 ist abgangsseitig der Rotorwelle 4 angeordnet. Das Festlager 14, das als Wälzlager ausgebildet ist, weist einen rotorwellenseitigen Innenring 18, einen gehäuseseitigen Außenring 19 und zwischen diesen angeordnete Wälzkörper 20 auf. Der Innenring 18 liegt auf dessen dem Motor 7 zugewandten Seite an einem Wellenansatz 21 der Rotorwelle 4 an und es ist dieser Innenring 18 auf seiner dem Wellenansatz 21 abgewandten Seite mittels eines Sicherungsrings 22, der als Sprengring ausgebildet ist, axial festgelegt. Hierbei ist der Sicherungsring 22 in eine äußere Ringnut 23 der Rotorwelle 4 eingesetzt. Die Eingangswelle 5 weist eine axiale Anlagefläche 24 auf, die am Innenring 18 anliegt.
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Die Eingangswelle 5 ist im Bereich deren der Rotorwelle 4 abgewandten Endes axial und radial im Gehäuse, konkret dem Gehäuseteil 12 gelagert. Die Lagerung erfolgt über ein Zylinderrollenlager 25 radial und ein Nadellager 26 axial im Gehäuse. Einstellscheiben 27 zwischen dem Gehäuseteil 12 und dem der Rotorwelle 4 abgewandten Ende der Eingangswelle 5 sind zum Einstellen einer axialen Vorspannung der Eingangswelle 5 innerhalb der Antriebsvorrichtung 1 vorgesehen.
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Der Wellenzapfen 17 weist im Bereich dessen rotorwellenseitiger Lagerung eine zylindrische oder ballige Außengeometrie zur Eingangswellenzentrierung auf. Ferner weist der Wellenzapfen 17 einen Wellenbereich mit der als Steckverzahnung ausgebildeten Verzahnung 6 auf, zur Drehmomentübertragung und hierbei einer Eingangswellenzentrierung unter Last.
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Der Lagerbereich zum Lagern der Eingangswelle 5 in dem Wellenzapfen 17 ist benachbart der Verzahnung 6 angeordnet. Dieser Lagerbereich weist ein Gleitlager 28, insbesondere eine Gleitlagerbuchse auf. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 ist die Verzahnung 6 benachbart dem Rotor 7 und das Gleitlager 28 benachbart der Verzahnung 6, allerdings auf dessen dem Rotor 7 abgewandten Seite, angeordnet.
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Die Rotorwelle 4 ist in Richtung der Eingangswelle 5 axial vorgespannt, insbesondere mittels eines Spannelements, das beispielsweise als Wellenfeder ausgebildet ist, und am Lager der Rotorwelle 4, das dem Getriebe 3 abgewandt ist, angeordnet ist.
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Da die Eingangswelle 5 in einem anderen Gehäuseteil 12 angeordnet ist als die Rotorwelle 4, die im Gehäuseteil 11 angeordnet ist, ist eine vorteilhafte Montagereihenfolge der Antriebsvorrichtung möglich. Zunächst wird der Elektromotor 3 montiert und in Betrieb genommen, wobei dies ohne angebrachtes Getriebe 3 möglich ist. Anschließend erfolgt die Komplettierung der Antriebsvorrichtung 1 um das Getriebe 3.
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Wegen der Anordnung der Verzahnung 6 auf dem größeren Durchmesser des Wellenzapfens 17 ist eine hohe Drehmomentkapazität bei gleicher Baulänge möglich. Unter Last ist eine Lastzentrierung der Steckverzahnung, somit Kraftabstützung (radial) über die Steckverzahnung optimiert. Es erfolgt Krafteinleitung in Lagernähe, somit ein reduzierter Einfluss auf die Rotorwelle 4.
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Das Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der Darstellung in 3 unterscheidet sich von demjenigen nach der 2 nur dadurch, dass die Anordnung von Verzahnung 6 und Gleitlager 28 vertauscht ist, somit beim Ausführungsbeispiel nach 3 das Gleitlager 8 benachbart dem Sicherungsring 22 ist, während die Verzahnung 6 auf der dem Rotor 7 abgewandten Seite des Gleitlagers 28, benachbart dem Gleitlager 28 angeordnet ist.
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In der 4 ist betreffend die Erfindung und das Ausführungsbeispiel nach der 2 eine Modifizierung der Antriebsvorrichtung 1 dahingehend dargestellt, dass zusätzlich eine Ölführung für Rotorinnenkühlung, Lagerschmierung usw. vorgesehen ist. So weist die Eingangswelle 5 einen axialen Durchgang 29 auf, der sich somit über die gesamte Länge der Eingangswelle 5 erstreckt. Innerhalb des Durchgangs 29 ist eine als Rohr ausgebildete Öllanze 30 angeordnet, mit Auslässen 31 zum axialen und radialen Zuführen von Öl zur Rotorwelle 4 und von dort zum Rotor 7 und zu Lagern, insbesondere den Lagern 25 und 26, zwecks Schmierung und/oder Kühlung. Es fließt somit ein Volumenstrom für Lagerschmierung bzw. Kühlung, ferner zur Schmierung von Zentriersitz und Steckverzahnung, ferner für die Rotorkühlung. Das Öl wird über eine Bohrung 32 im Gehäuseteil 12 der Öllanze 30 zugeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6952061 B2 [0002]
- JP 2015216819 A [0003]
- JP 2015216820 [0003]
- DE 2616310 A1 [0004]
